克服构建高通道数和高速测量系统所面临的挑战

在构建具有数百个通道的高性能应用时，空间是首要考虑的问题。PXI平台外形紧凑，可为测量和自动化系统提供高性能、低成本的部署解决方案。 PXI系统由控制器、机箱和各种仪器组成，如示波器、数字万用表(DMM)和任意波形发生器。

传统的台式仪器每两到四个通道就有自己的专用处理器、显示器、电源和风扇。PXI可以将这些冗余组件集成到单个机箱和控制器中来充分提高通道密度，而模块上只剩下模拟和数字电路。这种集成不仅节省了空间，而且大幅增加了每个模块的通道数量，使得在单个4U机架空间中就能构建具有多达544个通道的系统。

^{图1：有了PXI平台的模块化方法，您可以使用各种高速或高分辨率模块来构建高密度采集系统。}

表1显示各种示波器，包括高带宽、高速模块和极高通道数模块（用于NI FlexRIO的NI 5752适配器模块）。NI PXIe-5170R和NI PXIe-5171R将NI示波器仪器的出色性能与NI FlexRIO适配器模块的用户可编程FPGA结合到了单个拥有8通道的PXI模块中。 

^{图2：NI PXIe-5171R在单个PXI插槽中提供了8个高性能通道。}

您可基于带宽和分辨率需求，为您的应用选择可提供出色通道密度的NI示波器或数字化仪。

^{表1：NI示波器和数字化仪可为您的应用提供最优通道密度。}

高通道数系统的第二个主要挑战是确保每个通道的数据保持同步。如果每台仪器都采用不同的定时和同步引擎，那么实现多个示波器之间的通道同步就会变得非常困难。即使台式示波器支持多仪器同步，但仍需要校准由于线缆长度或类型不同而导致的各种时钟偏移延迟。此外，随着通道数的增加，在台式仪器之间路由触发线和采样时钟也变得越来越复杂。

定时和同步

PXI利用集成式定时与同步架构，可在内部对同步时钟和触发进行路由，从而克服了很多传统的同步挑战。PXI机箱包含专用的10 MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星型触发总线和槽对槽本地总线，而PXI Express机箱增加了100 MHz差分系统时钟、差分信号和差分星型触发，可满足高级定时和同步需求。

^{图3：利用PXI定时和同步架构，即可以最小的时钟偏移和漂移来传递触发线和参考时钟。}

NI示波器定时和同步

除了具有PXI平台的同步优势之外，NI还为PXI示波器设计了其他功能，能够进一步简化同步过程。无论是单板通道扩展，还是以不同采样率采集数据的仪器间的多机箱同步，NI PXI示波器均能提供理想的硬件和软件工具，来实现同步高速数据采集。

NI简化了构建高通道数应用相关的软件任务，例如通过编程方式来路由采样时钟和共享触发。借助NI LabVIEW等强大的软件工具，您可以轻松通过通道扩展来同步数个通道，也可以通过NI-TClk API来同步数百个通道。通道扩展是在单个数字化仪中同步通道的简单方法，需要在单个资源字符串内指定采集通道，如图4所示。

^{图4：通过通道扩展实现单板同步}

为了实现多仪器同步，NI开发了一项名为NI-TClk的专利同步技术，该技术旨在：

• 使相位锁定至10 MHz参考时钟但最初并不一定对齐的采样时钟对齐
• 实现同步设备的精确触发

灵活的NI-TClk技术可用于以下场景：

• 高速模块化仪器与采样时钟或参考时钟的同步
• 使用系统定时模块将同步从单个PXI机箱扩展到多个PXI机箱，从而满足高通道系统的需求
• 同相和异相同步，即设备采用内部或外部采样时钟，在相同或不同的采样率下运行

NI-TClk API可通过三个LabVIEW函数(VI)来帮助您配置触发设置和时钟同步，使系统看起来就像一台多通道示波器，从而简化用户体验。这三个LabVIEW VI不需要外部参数，只需将一系列仪器会话传输到NI-TClk API即可运行。NI-TClk架构可以实现设备之间的同步，而且每个设备之间的偏移不超过1 ns。观察到的典型偏移在200 ps和500 ps之间。如果手动校准每个设备的采样时钟，可将设备之间的偏移降低到30 ps以下。

^{图5：NI-TClk API可同步化多个仪器间的通道}

高级主题：跨多个PXI机箱同步PXI示波器

如果需要的通道或时钟精度超出PXI机箱本身的能力，该平台还可支持多机箱同步与精密定时和同步模块，这些模块的参考时钟精度能够达到十亿分之50，而台式示波器的精度典型值为百万分之100。如果同步机箱之间的距离太远，线缆无法稳定地传输时钟和触发信号，就需要使用基于时间的同步架构。借助NI PXI定时和同步解决方案，您可以利用IEEE 1588、GPS和IRIG-B等绝对时间参考协议来实现远距离同步。

传统上，高速数据采集的主要难题之一在于数据存储和传输回主机的总线吞吐量。随着仪器采样率的提高，GPIB接口的数据传输能力限制会显著降低数字化仪的性能。由于从数十或数百个通道采集数据并在同一主机上处理这些数据时需要在很大程度上依赖系统吞吐量和板载内存，因此，这两者对于高通道数应用尤为重要。例如，以5 GS/s的速度采集8位数据的数字化仪每秒可以生成5 GB的数据。由于数据量如此之大，系统中的示波器需要使用大容量板载内存以及高带宽总线，才能将数据传输回主机。

图6显示了各种总线之间的性能比较。利用高带宽PXI Express总线架构，能够以足够高的速率实现与硬盘之间的数据传输，从而为高端示波器提供支持。

^{图6：自动化测试中常见总线的带宽和延迟比较}

向主机传输数据

PXI应用的数据传输性能取决于系统机箱、控制器和仪器的吞吐率。评估数据传输架构的每个连接对于获得更高的整体系统吞吐量至关重要。利用最新的PXI Express技术，NI机箱和控制器可以支持高达12.8 GB/s的系统带宽，相比GPIB 8 MB/s的吞吐率有了显着提高。即使面对总线、处理器和内存技术的快速更迭，PXI平台也能够让您灵活地保持测试系统与时俱进。

^{图7：NI PXIe-1085机箱和NI PXIe-8135嵌入式控制器的系统吞吐率}

板载内存

即使利用高性能总线，许多应用仍需要借助大容量板载内存来临时存储数据以及实现高速示波器的最高采样率。利用大容量板载内存，数字化仪能够以更高速率进行采样，在本地存储数据，然后在采集完成后将数据传输到主机。具有大容量板载内存的示波器可以在较长时间内保持更高的采样率，因此采集的时间窗口增大。 NI PXI Express示波器（例如NI PXIe-5162 5 GS/s示波器）的每个通道具有1 GB的可用内存，当示波器以最高采样率运行时可增加采集时间。

通过RAID实现高级数据传输

PXI平台通过廉价磁盘冗余阵列(RAID)提供了一款经济高效的解决方案，不仅可用于数据传输，还可以在多个测试系统之间轻松移动数据，或者扩展PXI系统控制器的存储容量。RAID是大容量存储方案的通用术语，它可在多个硬盘驱动器之间拆分或复制数据，并且可以为高通道数应用提供必要的带宽和存储空间。NI基于外部RAID硬盘驱动器外壳和机箱内的PXI控制模块提供了多种数据存储选项。

^{图8：NI HDD-8265的数据传输速度可高达750 MB/s，并具有24 TB的可用存储空间。}

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